Investigar entre la certeza y la incertidumbre

Con el apoyo de la FAPESP y de la Texas Tech, científicos estudian la física de altas energías y defectos estructurales en sistemas que emplean grafeno, e intentan descubrir nuevos caminos en la mecánica cuántica

Por Heitor Shimizu, desde Lubbock (EE.UU.)  |  Agência FAPESP – Científicos de Estados Unidos y de Brasil presentaron durante la FAPESP Week Nebraska-Texas, evento que tuvo lugar entre los días 18 y 22 de septiembre en Lincoln (Nebraska, EE.UU.) y Lubbock (Texas, EE.UU.), un proyecto que los reúne en el estudio de los defectos estructurales en sistemas a base de grafeno, mediante investigaciones referentes a la propiedades químicas de este material a nivel cuántico. 

Francisco Bolivar Correto Machado, investigador titular del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), con sede en el estado de São Paulo, y Hans Lischka, profesor asociado del Departamento de Química y Bioquímica de la Texas Tech University (TTU), coordinan este proyecto, seleccionado en el marco de una convocatoria del SPRINT – São Paulo Researchers in International Collaboration. 

En el proyecto se investigan fundamentalmente las propiedades de estados excitados de nanoestructuras de carbono tales como el grafeno y sus análogos, características de estructuras formadas por especies absorbidas químicamente en hojas de grafeno, y la absorción fisicoquímica de metales de transición en grafeno, con miras a concretar aplicaciones en espintrónica –el área en que se explora la propensión cuántica de los electrones a girar (espín)– como así también aplicaciones para el estado de sus cargas.

Se considera que el grafeno, una de las formas cristalinas del carbono –al igual que el diamante y el grafito–, es uno de los materiales más prometedores para aplicaciones en nanoelectrónica. Es sumamente resistente y es un excelente conductor de la electricidad, pero su producción no resulta fácil. Cualquier defecto, por más minúsculo que sea –en medidas del orden de las milmillonésimas del metro–, puede inviabilizar el potencial de este nuevo material. 

“En nuestro proyecto abordamos temas tales como la descripción de la estructura electrónica de estados excitados de defectos mediante el uso de modelos extendidos, la reactividad química, el dopaje químico y los hidrocarburos aromáticos policíclicos como modelos de interacciones en hojas de grafeno”, dijo Bolivar Correto Machado. 

Esta colaboración ha redundado en diversos artículos publicados en revistas de alto impacto, tales como el intitulado “How to efficiently tune the biradicaloid nature of acenes by chemical doping with boron and nitrogen” (en Physical Chemistry Chemical Physics) y también “Single and double carbon vacancies in pyrene las first models for graphene defects: A survey of the chemical reactivity toward hydrogen” (en Chemical Physics), ambos en 2017. Y hay otros cuatro papers en preparación. 

Bolivar Correto Machado y Lischka, en colaboración con otros investigadores, organizan la 3ª Escuela de Química Computacional – Theory of new materials at atomistic level: Graphene, Graphene Defects and π-Conjugated Polyradical Systems, que tendrá lugar en la localidad de Ribeirão Preto (en el estado de São Paulo) entre los días 11 y 14 del próximo mes de diciembre.

Certeza e incertidumbre

Bill Poirier, docente del Departamento de Química y Bioquímica de la TTU, se refirió al proyecto intitulado “Fermi accelerators, inverse fermi accelerators, nonadiabatic dynamics and cuantum trajectories: towards a method for electron dynamics”, que lleva adelante junto al profesor Mahir Saleh Hussein, coordinador del Grupo de Astrofísica No Convencional en el Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad de São Paulo (IEA-USP). 

Se trata de un proyecto de física teórica seleccionado en una reciente convocatoria del SPRINT y que aún se encuentra en su comienzo. “Nuestro objetivo es resolver problemas de la mecánica cuántica relacionados con las trayectorias. Pretendemos hallar soluciones que sean tanto dependientes como independientes del tiempo, y aplicaciones posibles en dinámica de electrones”, sostuvo. 

“En una colaboración anterior con el profesor Hussein –que tiene más de 340 artículos publicados, entre ellos 71 en Physical Review Letters y en Physical Letters–, desarrollamos una nueva fórmula para la mecánica cuántica basada en trayectorias, en la cual la onda no tiene un papel”, añadió. 

Poirier comentó que Max Planck hacía descripciones “realistas” del mundo físico, al igual que Albert Einstein. “Me gusta pensar que Planck apreciaría nuestro abordaje, que es una teoría cuántica muy realista y ontológica; pero, tal como él mismo lo planteó, nada constituye probablemente un obstáculo mayor para el desarrollo exitoso de una nueva hipótesis que el atravesamiento de sus fronteras”, dijo. 

El abordaje de Poirier y Hussein tiene como base el clásico sistema cuántico de la partícula en una caja. Se trata de un problema teórico en el cual una partícula en movimiento dentro de una caja se choca con sus caras sin poder escapar, pero también sin perder energía. 

En la mecánica clásica, la solución indica que la partícula se mueve en línea recta a una velocidad constante hasta que rebota en una de las paredes. Al rebotar, su velocidad se altera únicamente en su componente perpendicular a la pared, que cambia de signo. El módulo de la velocidad no se altera. Una de las soluciones posibles es una partícula estacionaria, con velocidad cero.

El problema cobra complejidad en la mecánica cuántica, y los resultados dejan de ser intuitivos. La partícula sólo puede tener ciertos niveles de energía específicos y el cero deja de encajarse en ese escenario. Asimismo, hasta la detección de la partícula dentro de la caja dejar de ser una certeza. La partícula puede estar en posiciones de imposible detección. De la certeza, se salta a la incertidumbre. 

“Basándonos en la partícula dentro de una caja, podemos preguntarnos qué sucedería si una pared de la caja empezase a moverse. Ambas perspectivas, la clásica (que opera con la trayectoria) y la cuántica (que opera con la onda), parecen suministrar respuestas radicalmente distintas”, dijo Poirier. 

“El significado fundamental indica que pasamos a investigar si la naturaleza se comporta como onda o como partícula. Pero esto es la teoría. En la práctica, el modelo podrá ser muy útil en procesos importantes que ocurren tanto en la física nuclear como en la fisicoquímica”, dijo. 

Altas energías

Sergio Ferraz Novaes, profesor titular de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y coordinador del São Paulo Research and Analysis Center (SPRACE), se refirió al proyecto que lleva adelante junto a Nural Akchurin, profesor y jefe del Departamento de Física y Astronomía de la TTU. Dicho proyecto, intitulado “SPRACE-Unesp and TTU collaboration in high-energy physics in the Compact Muon Solenoid experiment at the Large Hadron collider”, fue seleccionado en el marco de una convocatoria del SPRINT. 

“Los grupos de investigación de la TTU y del SPRACE son activos en la Colaboración CMS en el CERN [European Organization for Nuclear Research]. Ambos grupos tienen una postura de participación y liderazgo en las actividades de análisis de la Física más allá del Modelo Estándar. Es de esperarse que, luego del descubrimiento del bosón de Higgs, la atención de la comunidad se oriente en esa dirección”, dijo Ferraz Novaes. 

El Modelo Estándar de la Física de Partículas es una teoría que describe las fuerzas fundamentales fuerte, débil y electromagnética. Y también describe las partículas fundamentales que constituyen la materia.

“Nuestros intereses en común incluyen la busca de una aspirante a materia oscura, una nueva forma de materia que ayudaría a explicar algunas de las observaciones usuales en cosmología. También buscamos nuevas resonancias, previstas en diversos tipos de modelos de la Física más allá del Modelo Estándar”, dijo Ferraz Novaes. 

Aparte de la investigación fundamental en Física de Altas Energías, Ferraz Novaes explica que el proyecto apunta también a promover la innovación, la capacitación, la educación y la difusión. 

“La investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías, las asociaciones con instituciones académicas y con empresas, la promoción del conocimiento en campos avanzados, la capacitación de docentes de la enseñanza media y la difusión del conocimiento en el seno de la sociedad constituyen otros objetivos del proyecto”, añadió el investigador. 

Más información sobre la FAPESP Week en: www.fapesp.br/week2017/nebraska-texas.